京大ら,超薄膜Ptにトランジスタ特性を発見

京都大学は三重大学と共同で,金属である白金を極めて薄い膜(超薄膜)にしたとき,シリコンなどの半導体で実現されるトランジスタ特性(材料の抵抗を外部電圧で制御する特性)が現れること,さらにそれに伴って白金がスピンを電流に変換する「スピン軌道相互作用」という機能を大幅に変調・制御ことができることを世界で初めて発見した(ニュースリリース)。

今日の情報社会の隆盛をもたらしたトランジスタは,半導体(現在は一般的にシリコンが用いられる)中のキャリア(電子または正孔)をゲート電圧で誘起することで,抵抗の大きさを制御し,情報のオンとオフを操作する。しかし,金属は一般的にキャリアの数が非常に多いために,ゲート電圧によってキャリアを誘起しても,抵抗を変えることは困難だった。

研究グループは,まず2nmという極めて薄い白金(Pt)の膜(超薄膜)を,磁性絶縁体であるイットリウム鉄ガーネット(YIG)の上に作製した。そして,このPt超薄膜の上にイオン液体をのせて強いゲート電圧をかけたところ,上記のような半導体で実現されるトランジスタ特性が現れることを発見した。

さらに,基盤であるYIGからスピン流をPt超薄膜に注入したところ,Ptがスピンを電流に変換する「スピン軌道相互作用」という機能を大幅に変調・制御することができることも見出した。

これは従来の「金属材料を使ってトランジスタを作ることはできない」という理解と「スピン軌道相互作用は材料固有である」という固体物理学における理解を共に覆す発見であり,研究で見出したスピン軌道相互作用の制御によって,新しいタイプのメモリやスピン素子の開発が可能となることが期待されるという。特にエレクトロニクスやスピントロニクス分野にとって,新しい発展に繋がる成果だとしている。

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